(57)【要約】【課題】多元素及び多成分を同時に計測することができる多元素多成分同時計測装置及び方法を提供する。【解決手段】多元素多成分同時計測装置１０−１は、イオン化効率に選択性が少ない真空紫外レーザ光１１による真空紫外レーザイオン化装置１２と、紫外光レーザ光１３による多光子レーザイオン化装置１４と、レーザ光１５を集光するレーザブレークダウン装置１６とを少なくとも二以上の組合せてなり、各々のレーザ光を微小時間ずらしつつチャンバ１７内の導入された試料１８に照射し、質量分析装置１９にて多元素・多成分を直接・同時に分析するものである。【選択図】        図１
2006244717.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン化効率に選択性が少ない真空紫外レーザ光による真空紫外レーザイオン化装置と、紫外光レーザ光による多光子レーザイオン化装置と、レーザ光を集光するレーザブレークダウン装置とを少なくとも二以上を組合せてなり、各々のレーザ光を微小時間ずらしつつチャンバ内の導入された試料に照射し、質量分析装置にて多元素・多成分を直接・同時に分析してなることを特徴とする多元素多成分同時計測装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記真空紫外レーザイオン化装置のレーザ光の波長が１００〜１５０ｎｍであり、出力が１〜１００μＪ／ｐであり、前記多光子レーザイオン化装置のレーザ光の波長が２５０〜３００ｎｍであり、出力が０．５〜５ｍＪ／ｐであり、前記レーザブレークダウン装置のレーザ光の波長が５００〜１５００ｎｍであり、出力が４００〜１０００ｍＪ／ｐであると共に、質量分析装置が飛行時間型質量分析装置であることを特徴とする多元素多成分同時計測装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、
複数の真空紫外レーザ装置のレーザ光として、３５５ｎｍのレーザ光をキセノンセルにより波長変換したものを用いてなることを特徴とする多元素多成分同時計測装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一つにおいて、
複数のレーザ光を同軸又は異なる軸からチャンバ内に照射してなることを特徴とする多元素多成分同時計測装置。
【請求項５】
イオン化効率に選択性が少ない真空紫外レーザ光による真空紫外レーザイオン化と、紫外光レーザ光による多光子イオン化と、レーザ光を集光するレーザブレークダウンとを少なくとも二以上を組合せ、各々のレーザ光を微小時間ずらしつつチャンバ内の導入された試料に照射し、質量分析にて多元素・多成分を直接・同時に分析することを特徴とする多元素多成分同時計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多元素多成分同時計測装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
大気汚染の問題は計測技術の進展により、複雑なメカニズムが徐々に明らかとなってきている。例えば、分析技術では有害大気汚染物質を代表とする微量化学物質の分析が可能となり、シミュレーションを用いた大気中拡散や光化学反応などのメカニズム解明に貢献している。これらの結果として、大気汚染が様々な化学物質である一次汚染物質と共に、光化学反応を介した二次汚染物質、二次粒子として拡散していることが分かってきている。
【０００３】
また、これらの既存の大気汚染に加え、粒子状物質の中で、５０ｎｍの極めて微小な粒子が計測可能となってきており、ナノ粒子による環境問題や健康障害も懸念されている。上記環境汚染対策としてＰＲＴＲ制度などがあるが、全体像の把握や将来に懸念される新たな環境汚染などの抑制には、更なる排出原因・メカニズムの特定が不可欠である。しかしながら、微量成分の分析が困難なこともあり、全体像の解明には至っていないのが現状である。特に、大気汚染に関しては、その形態変化を捕らえることが難しく、極微小量環境物質の直接・多元素・多成分が同時計測できる分析技術が切望されている。
【０００４】
また、将来のナノテクノロジー産業などにより生成される粒子サイズレベルの環境汚染も懸念されており、極微小量環境物質の直接・多元素・多成分計測技術は、国民の安全、安心を確保するためのキー技術となっている。
【０００５】
このような粒子サイズレベルの分析を行う一例として、粒子に含まれる化学成分を分析する場合は、粒子をその他の粒径粒子から分離した上でそこに含まれる化学成分を分析することが一般的である（例えば、特許文献１、２参照）。粒子をその他の粒径粒子から分離する手法としては例えばインパクタ方式がある。インパクタ方式により他の粒径粒子から分離した粒子に含まれる化学成分の分析は、例えばガスクロマトグラフ質量分析計を用いて行われる。
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−２８８６０１号公報
【特許文献２】特開平１０−２８８６０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述したインパクタ方式とガスクロマトグラフ質量分析計とを用いる方法では、ガスクロマトグラフ質量分析計の感度がナノ粒子中に存在する化学成分を測定するほどには高くないことから、大気中や排ガス中の存在量が極めて少ないナノ粒子に含まれる化学成分を検出し測定することが極めて困難であった。
【０００８】
また、化学成分組成計測では、計測対象を構成する全体の成分分布を把握すると共に、重要な計測化学種に対し、高感度な分析が求められる。これは、計測対象を構成する成分に関して「平均的な分析感度」と特定な成分に対する「選択的な分析感度」の互いに矛盾する分析特性を求めることになり、従来の分析手法では、達成できなかった課題である。
【０００９】
さらに、元素組成分析では、計測対象を元素レベルに分解・計測する必要があり、化学成分組成計測との両立は困難であった。そのため、多元素・多成分を計測するためには、ＧＣ−ＭＳ（Ｇａｓ Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ−Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）、ＩＣＰ−ＭＳ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ−Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）、蛍光X線分析などの複数の分析手法を用いる必要があり、前処理などを含め、多大な分析コスト、分析時間を必要としていた。
【００１０】
本発明は、前記問題に鑑み、多元素及び多成分を同時に計測することができる多元素多成分同時計測装置及び方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、イオン化効率に選択性が少ない真空紫外レーザ光による真空紫外レーザイオン化装置と、紫外光レーザ光による多光子レーザイオン化装置と、レーザ光を集光するレーザブレークダウン装置とを少なくとも二以上を組合せてなり、各々のレーザ光を微小時間ずらしつつチャンバ内の導入された試料に照射し、質量分析装置にて多元素・多成分を直接・同時に分析してなることを特徴とする多元素多成分同時計測装置にある。
【００１２】
第２の発明は、第１の発明において、前記真空紫外レーザイオン化装置のレーザ光の波長が１００〜１５０ｎｍであり、出力が１〜１００μＪ／ｐであり、前記多光子レーザイオン化装置のレーザ光の波長が２５０〜３００ｎｍであり、出力が０．５〜５ｍＪ／ｐであり、前記レーザブレークダウン装置のレーザ光の波長が５００〜１５００ｎｍであり、出力が４００〜１０００ｍＪ／ｐであると共に、質量分析装置が飛行時間型質量分析装置であることを特徴とする多元素多成分同時計測装置にある。
【００１３】
第３の発明は、第１又は２の発明において、複数の真空紫外レーザ装置のレーザ光として、３５５ｎｍのレーザ光をキセノンセルにより波長変換したものを用いてなることを特徴とする多元素多成分同時計測装置にある。
【００１４】
第４の発明は、第１乃至３のいずれか一つの発明において、複数のレーザ光を同軸又は異なる軸からチャンバ内に照射してなることを特徴とする多元素多成分同時計測装置にある。
【００１５】
第５の発明は、イオン化効率に選択性が少ない真空紫外レーザ光による真空紫外レーザイオン化と、紫外光レーザ光による多光子イオン化と、レーザ光を集光するレーザブレークダウンとを少なくとも二以上を組合せ、各々のレーザ光を微小時間ずらしつつチャンバ内の導入された試料に照射し、質量分析にて多元素・多成分を直接・同時に分析することを特徴とする多元素多成分同時計測方法にある。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、多元素及び多成分を同時に分析することが可能となり、分析コスト低減、微量成分のリアルタイム計測が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
【実施例１】
【００１８】
本発明による実施例１に係る多元素多成分同時計測装置について、図面を参照して説明する。図１は、実施例１に係る多元素多成分同時計測装置を示す概略図である。
図１に示すように、本実施例に係る多元素多成分同時計測装置１０−１は、イオン化効率に選択性が少ない真空紫外レーザ光１１による真空紫外レーザイオン化装置１２と、紫外光レーザ光１３による多光子レーザイオン化装置１４と、レーザ光１５を集光するレーザブレークダウン装置１６とを少なくとも二以上を組合せてなり、各々のレーザ光を微小時間ずらしつつチャンバ１７内の導入された試料１８に照射し、質量分析装置１９にて多元素・多成分を直接・同時に分析するものである。
【００１９】
ここで、前記チャンバ１７は真空ポンプ２０を有しており、その内部を減圧状態とすると共に、試料１８を導入する試料導入ノズル２１が設けられている。また、前記質量分析装置１９はイオン検出器２２を有する飛行時間型の質量分析装置である。また、チャンバ１７内にはイオンを加速するイオン加速電極２３及びイオンをトラップして濃縮するイオントラップ２４が設けられている。なお、イオントラップ２４は、計測精度及び感度を向上するものであり、必要に応じて設けるようにすればよい。
イオン検出器２２からの信号は真空紫外レーザイオン化用信号処理装置２５、多光子レーザイオン化用信号処理装置２６及びレーザブレークダウン用信号処理装置２７にて各々処理される。
【００２０】
また、前記真空紫外レーザイオン化装置１２のレーザ光１１の波長は１００〜１５０ｎｍ、好適には１１８ｎｍとするのがよい。また、出力は１〜１００μＪ／ｐであり、好適には１０μＪ／ｐとするのがよい。多光子レーザイオン化装置のレーザ光の波長は２５０〜３００ｎｍであり、好適には２６６ｎｍとするのがよい。また出力は０．５〜５ｍＪ／ｐであり、好適には２ｍＪ／ｐとするのがよい。レーザブレークダウン装置のレーザ光の波長は５００〜１５００ｎｍであり、好適には１０６４ｎｍとするのがよい。また、出力は４００〜１０００ｍＪ／ｐであり、好適には６００ｍＪ／ｐとするのがよい。
ここで、チャンバ１７は１０-2Ｐａ程度、質量分析装置１９内は１０-6Ｐａ程度としている。
【００２１】
本実施例では、イオン化効率に選択性が少ない真空紫外レーザイオン化装置（１１８ｎｍ）１２によるレーザイオン化を用いており、紫外光レーザ光による多光子レーザイオン化装置（例えば、２６６ｎｍ）１４、レーザ光を集光するレーザブレークダウン装置１６を組合せ、各々のレーザ光を微小時間（ｍｓ程度）ずらしつつ質量分析装置１９のチャンバに同時に照射することで、１台の質量分析装置１９にて多元素・多成分を直接・同時に分析できるものである。
【００２２】
ここで、真空紫外レーザイオン化装置１２では、計測対象成分を平均かつ高感度に測定することができる。また、多光子（共鳴）レーザイオン化装置１４は、計測対象の特定成分をピコ秒レベルの超短パルス光でイオン化することで、測定成分の分解を抑制し、超高感度に測定することができる。さらに、レーザブレークダウン装置１６は、計測対象をレーザ光にてブレークダウンし、質量分析することで、超高感度に元素組成を測定することができる。
【００２３】
また、多光子レーザイオン化のためのレーザ光（２６６ｎｍ）及びレーザブレークダウンのためのレーザ光（１０６４ｎｍ）では、チャンバ１７内に照射する窓材として石英窓を使用することが可能である。一方、真空紫外光（１１８ｎｍ）の場合、窓材として例えばフッ化カルシウムなどの窓を使用する必要があるので、図１に示すように、三方向以外からのレーザ光の入射以外に、レーザ光１３及びレーザ光１５とを同軸として、異なる２方向から入射するようにしてもよい。
【００２４】
このように本実施例によれば、真空紫外レーザ光１１によるレーザイオン化を行う真空紫外レーザイオン化装置１２、紫外光レーザ光１３による多光子イオン化を行う多光子レーザイオン化装置１４、レーザ光１５を集光するレーザブレークダウン装置１６とを組合せ、１台の質量分析装置１９にて多元素・多成分を直接・同時に分析できるようになる。
【００２５】
図５は真空紫外レーザイオン化の測定結果を示すものであり、試料の全体的な組成を確認することができる。また、図６は多光子レーザイオン化の測定結果を示すものであり、試料中の芳香族炭化水素等の化合物を確認することができる。また、図７はレーザブレークダウンの測定結果であり、試料中の元素組成を確認することができる。
このように、同一条件において、同時に三成分のチャートを取得することができる。また、時間遅れ且つ同時進行で三成分のチャートをリアルタイムで計測化できるので、迅速に環境中の状態を評価することができる。
【００２６】
例えば、図８に示すような信号機１０１を有する交差点１０２の近傍に本発明に係る多元素多成分同時計測装置１００を設置することにより、連続して交差点における特定成分をモニタリングすることができる。
なお、従来では、大気粉塵中の有害元素計測では２４時間程度の試料採取後、ＩＣＰ−ＭＳ装置などで分析するのが一般的であるが、試料を酸分解等で溶液化する必要があるため、迅速な計測は実現していないが、本発明によりリアルタイム計測が可能となる。
【００２７】
図９はそのモニタリングした結果を示す図である。図９に示すように、一日の時間において各種成分（Ａ成分、Ｂ成分及びＣ元素）の濃度が変化しているのが確認できる。
このように、リアルタイムで確認することができるので、その状況の応じた対策を講じることができる。
【００２８】
一般に、多元素・多成分を計測するためには、ＧＣ−ＭＳ（Ｇａｓ Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ−Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ)、ＩＣＰ−ＭＳ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ−Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）、蛍光Ｘ線分析等の複数の分析手法を用いる必要があり、さらに前処理などを含め、多大な分析コスト、分析時間を必要としていたが、本発明により、分析コスト低減、微量成分のリアルタイム計測が可能となる。
【００２９】
また、従来の例えば燃焼装置の排ガス実験や燃焼触媒においては、燃焼ガスを数日又は数週間濃縮して、その結果を各種分析装置にて分析しているが、本発明を適用することで、排ガスを直接分析することが可能となり、しかもその分析はリアルタイムの分析となり、評価の判断の迅速化が可能となる。
【００３０】
なお、一般にレーザブレークダウン法は公知の技術であるが、この従来の場合ではレーザによりプラズマを生成し、生成されたプラズマ発光を観測して元素組成を計測するものである。この方法は、装置的に簡易であるが、プラズマからの背景光がノイズとなり、計測対象が微量(ｐｐｂ〜ｐｐｔ)の場合、計測が困難となる。本発明では、レーザにより計測対象をレーザブレークダウンし、ここで生成するイオンをさらに質量分析するため、ノイズの発生が少なく、高感度計測が可能となる。
【００３１】
選択的レーザイオン化とレーザブレークダウンを微小な時間差を設けて交互に行うことにより、計測対象の成分と元素組成が同時に計測可能となる。また、大気中に含まれる極微小量な複数の成分を、現場で同時に計測可能な装置を提供できる。
例えば計測感度としては、ｐｐｔ〜ｐｐｑ（μｇ／ｍ3〜ｎｇ／ｍ3）が実現できる。
【００３２】
測定対象としては、主に大気であるが、各種ガス成分、固体成分（微粉）も可能である。測定物質としては、例えば炭化水素（ベンゾピレン、塩素化・臭素化物質、ニトロ化合物、キノン化合物等）である。その元素組成としては、Ｃ、Ｈ、Ｏ、Ｎ、Ｓ、金属成分等である。
【００３３】
このように、イオン化効率に選択性が少ない真空紫外光を用いた一光子（ソフト）レーザイオン化、感度、選択性に優れた多光子共鳴レーザイオン化、元素組成が分析可能なレーザブレークダウンを組合せ、各々のレーザ光を微小時間（ｍｓ程度）ずらしつつ同時に照射することで、１台のイオントラップ型質量分析装置にて多元素・多成分を直接・同時に分析できることとなる。
【実施例２】
【００３４】
本発明による実施例２に係る多元素多成分同時計測装置について、図面を参照して説明する。図２は、実施例２に係る多元素多成分同時計測装置を示す概略図である。
なお、実施例１の多元素多成分同時計測装置と同一の構成部材については、同一の符号を付してその説明は省略する。
図２に示すように、本実施例に係る多元素多成分同時計測装置１０−２は、実施例１の多元素多成分同時計測装置の試料導入ノズル２１に供給する試料を予め分級する分級装置３１を設けたものである。この分級装置３１は、試料１８として、例えば排ガス中に存在する微粒子を帯電処理し、該帯電微粒子の電気移動度が粒径に依存する性質を利用し、特定の粒径（例えば５０ｎｍ）の分級試料３２とするものである。
【００３５】
この分級された分級試料３２を多元素多成分同時計測装置にてレーザ処理し、多元素及び多成分を同時に分析することが可能となり、粒径に応じた微量成分のリアルタイム計測が可能となる。
【実施例３】
【００３６】
本発明による実施例３に係る多元素多成分同時計測装置について、図面を参照して説明する。図３は、実施例３に係る多元素多成分同時計測装置を示す概略図である。
なお、実施例１の多元素多成分同時計測装置と同一の構成部材については、同一の符号を付してその説明は省略する。
図３に示すように、本実施例に係る多元素多成分同時計測装置１０−３は、実施例１の多元素多成分同時計測装置において、真空紫外レーザイオン化装置１２の真空紫外レーザを用いる代わりに、波長３５５ｎｍのレーザ光３４を用い、キセノンガスを充満したキセノンセル３３中を透過させることにより、波長を１／３に波長変換させて、真空紫外光としているものである。この代替構成により、装置費用の低廉化を図ることができる。
【実施例４】
【００３７】
本発明による実施例４に係る多元素多成分同時計測装置について、図面を参照して説明する。図４は、実施例４に係る多元素多成分同時計測装置を示す概略図である。
なお、実施例１の多元素多成分同時計測装置と同一の構成部材については、同一の符号を付してその説明は省略する。
図４に示すように、本実施例に係る多元素多成分同時計測装置１０−４は、実施例１の多元素多成分同時計測装置において、三種類のレーザ光１１、１３、１５を同軸でチャンバ内に導入するものである。各レーザ光を同軸に照射し、チャンバ１７に設けた一つの入射窓にて計測を可能にして、装置構成を簡略化するようにしている。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
以上のように、本発明に係る多元素多成分同時計測装置は、リアルタイムで多元素・多成分を直接・同時に分析できるようになり、環境等の微量成分分析に用いるのに適している。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】実施例１に係る多元素多成分同時計測装置の概略図である。
【図２】実施例２に係る多元素多成分同時計測装置の概略図である。
【図３】実施例３に係る多元素多成分同時計測装置の概略図である。
【図４】実施例４に係る多元素多成分同時計測装置の概略図である。
【図５】真空紫外レーザイオン化測定結果を示す図である。
【図６】多光子レーザイオン化測定結果を示す図である。
【図７】レーザブレークダウン測定結果を示す図である。
【図８】多元素多成分同時計測装置を設置した交差点の概略図である。
【図９】交差点におけるモニタ結果を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０−１〜１０−４  多元素多成分同時計測装置
１１  真空紫外レーザ光
１２  真空紫外レーザイオン化装置
１３  紫外光レーザ光
１４  多光子レーザイオン化装置
１５  レーザ光
１６  レーザブレークダウン装置
１７  チャンバ
１８  試料
１９  質量分析装置
【図１】
2006244717.tif 000003
【図２】
2006244717.tif 000004
【図３】
2006244717.tif 000005
【図４】
2006244717.tif 000006
【図５】
2006244717.tif 000007
【図６】
2006244717.tif 000008
【図７】
2006244717.tif 000009
【図８】
2006244717.tif 000010
【図９】
2006244717.tif 000011